【摘 要】
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浮区法具有无污染生长的优点而成为一种生长高质量、高纯度单晶材料的重要生长技术.微重力环境下,由于重力场的极度微弱,浮力对流逐渐被掩盖,热毛细对流成为熔体中的主要对流,且其不稳定会引起晶体微观瑕疵和宏观条纹等缺陷的形成,这给浮区法晶体生长带来极大挑战.因此,为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中热毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文以浮区法晶体生长过程中热毛细对流的不稳
【机 构】
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航天学院,南京航空航天大学,南京市,210016,中国
【出 处】
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第四届电磁冶金与强磁场材料制备年会暨第六届磁流体力学学术研讨会
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浮区法具有无污染生长的优点而成为一种生长高质量、高纯度单晶材料的重要生长技术.微重力环境下,由于重力场的极度微弱,浮力对流逐渐被掩盖,热毛细对流成为熔体中的主要对流,且其不稳定会引起晶体微观瑕疵和宏观条纹等缺陷的形成,这给浮区法晶体生长带来极大挑战.因此,为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中热毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文以浮区法晶体生长过程中热毛细对流的不稳定性为研究对象,利用VOF 自由表面追踪模型来捕捉自由界面的运动,采用数值模拟的方法对微重力下动态界面液桥内热毛细对流的不稳定性、自由界面变形特征以及外部磁场对热毛细对流不稳定性和自由界面变形的影响进行研究.对直径为1 cm 的小尺度液桥内,研究发现,当Ma=1.22×103 时,液桥内热毛细对流出现稳定的周期性振荡,其振荡周期为τ=0.58s,熔区内流场和温度场结构随之发生周期性变化；当高径比Ar=1 时,液桥内热毛细对流发生不稳定性振荡的临界Marangoni 数(Ma)为421.21；当热毛细对流出现周期性振荡时,将会导致液桥内周向速度和径向速度沿周向产生不均匀性,并且随着Marangoni 数的增加,周向波和径向波的波瓣增大,强度逐渐增加；自由界面呈现出冷、热两端凸出而在z=0.312cm 区域收缩的“瓶颈”状分布,自由界面的最大变形率ξ 随时间呈正弦曲线波动的周期性变化,且其振荡周期与热毛细对流振荡周期保持一致.随着Marangoni 数的增加,自由界面的最大变形率ξ 逐渐增加.
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